纳米TCP 颗粒在骨修复用复合材料中分散性的研究进展*

刘来俊 张天添 丁雯 王富军 王璐*

由于疾病（骨创伤、骨组织炎症及骨肿瘤切除等）、意外事故、人口老龄化等原因造成的骨组织缺损的病例日趋增多，目前常用的异体骨移植、自体骨移植等方法在不同程度上仍存在来源极为有限（自体骨）、免疫排斥反应（异体骨）等问题。故寻求性能优良的骨修复材料已成为生物医学工程领域的新目标[1]。作为骨修复材料，应具有良好的力学性能、生物相容性、骨传导性以及骨诱导性，以满足临床应用时对材料功能性的需求[2]。

磷酸三钙（tricalcium phosphate，TCP，有-TCP 和-TCP 之分）无机材料因其成分与骨矿物组成类似，同时具有良好的生物相容性、骨诱导性等优点而被广泛地应用在生物医学领域[3]。另外，其降解速率远远高于羟基磷灰石（HA），在植入期间能更有效地促进新骨的形成[4-5]。但单独作为骨修复材料使用时，TCP 存在脆性大、韧性差及模量过高等缺陷，限制了其在骨科方面的临床应用[6]。为了满足骨组织修复对材料力学性能和生物学性能的要求，人们对nano-TCP 颗粒与可吸收高聚物(如PLGA、PLA、PLLA 等)的复合材料展开了研究[7-8]，发现nano-TCP/可吸收高聚物复合材料在植入区的骨诱导性能明显提高[9-10]。同时，nano-TCP 的降解产物呈碱性：一是可以有效地缓解可吸收高聚物降解产生的局部酸性问题，从而降低组织炎症的发生概率；二是可以减缓高聚物降解时的“自催化”作用，调控复合材料的降解速率[11]。但是，由于nano-TCP 颗粒的尺寸小，表面能高，使得颗粒之间易于团聚，在高聚物基体中形成一个个体积较大的团聚体，造成nano-TCP/可吸收高聚物复合材料性能的恶化，从而无法满足临床上的应用需求[12]。为此，本文从nano-TCP 颗粒分散性的研究意义、团聚原理以及改善分散性的方法3 个方面进行文献综述与讨论，期望为进一步改善nano-TCP/可吸收高聚物纳米复合材料的应用性能提供参考。

1 nano-TCP 颗粒分散性的研究意义

尽管nano-TCP/可吸收高聚物复合材料在治疗骨组织缺损上有诸多优势，但术后仍可能出现材料力学性能不足、降解速率与新骨生成速率不匹配、组织炎症等问题[8]。Barber等[13]针对668 名采用-TCP/PLGA 界面螺钉修复膝关节或肩关节韧带的患者进行了长达28 个月的随访记录，其中12%的患者出现了关节松弛、囊肿等相关并发症。术后并发症的发生，如若处理不及时，将可能直接导致手术失败，因此这一问题不容忽视。

nano-TCP 颗粒由于其特殊的纳米表面性质，在可吸收高聚物基体中容易发生团聚，受负荷时易形成应力集中点，使复合材料在植入期间力学性能过早失效[8]。同时，材料也无法均匀的地降解，进而无法持续有效地维持植入区pH 值的稳定，对骨组织的修复产生不利影响[10]。Ma 等[14]用改性的方法来提高-TCP 纳米颗粒在PLLA 基体中的分散性。通过对比改性前后相同-TCP含量的纳米复合材料的力学性能发现，改性后材料的弯曲强度与拉伸强度均提高10%～20%。Balac 等[15]通过有限元（FE）分析研究了无机颗粒的体积分数对其增强高聚物复合材料力学性能的影响。发现基质中的最大应力集中系数随着无机颗粒体积分数的增加而减小，说明团聚体对纳米复合材料的力学性能产生了不利的影响。Bennett 等[16]研究了不同尺寸的-TCP 颗粒对复合材料在体内的降解速率及宿主反应的影响。发现相同-TCP 含量的纳米复合材料比微米复合材料降解更均匀，植入区pH 值更接近中性，这与Yang 等[17]的研究结果相类似。另外，Bennett 等将纳米复合材料与微米复合材料植入到羊股骨远端髁突缺损处，分别在植入后的第6、12、18 和24 周使用组织学图像的视觉评分和X 射线图像的半自动分割来量化植入物的降解和植入部位新骨组织的生长，发现纳米复合材料的体内降解速率比微米复合材料慢，与新骨生长速率更匹配。Smoak 等[18]研究了含有不同尺寸-TCP 颗粒的复合材料对人脂肪干细胞（human adipose-derived stem cell,hASCs）行为的影响。发现相同-TCP 含量的微米复合材料与纳米复合材料相比，细胞毒性较大、成骨性能较差。这些都间接说明具有较小颗粒尺寸的复合材料的降解性能及骨诱导性能更优越。

综上所述，可以看出nano-TCP 颗粒在可吸收高聚物基体中的分散性显著地影响复合材料的力学性能、降解性能以及骨诱导性能，是一个亟待研究的重要问题。

2 nano-TCP 颗粒团聚原理

nano-TCP 颗粒团聚是指其在制备、分离、处理及存放过程中相互连接、由多个颗粒形成较大的颗粒团簇的现象。造成颗粒团聚的原因主要包括以下几个方面。

2.1 纳米颗粒的表面效应和尺寸效应

表面效应和尺寸效应是指由于纳米颗粒的表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后引起的性质上的变化。nano-TCP 颗粒具有很高的比表面积，且颗粒越小，表面的原子数量就越多。当粒径降至10 nm 时，表面原子比例高达90%以上，原子几乎全部集中到颗粒的表面，处于高度活化状态，导致表面原子配位数不足和高表面能，从而使这些原子极易与其他原子相结合而稳定下来，导致颗粒相互聚集，体积变大[19]。

2.2 布朗运动

在制备nano-TCP/可吸收高聚物复合材料时，一般会采用磁力搅拌[14]或超声分散[20]的方法将nano-TCP 颗粒分散在溶剂中，在此过程中因溶剂分子会对nano-TCP 颗粒产生不平衡冲力的碰撞而使其做布朗运动，即nano-TCP 颗粒与溶剂的碰撞使得颗粒具有与周围颗粒相同的动能，因此体积较小的颗粒运动较快，纳米颗粒在做布朗运动时彼此会经常碰撞到，由于吸引作用，它们会连接在一起，形成二次颗粒。二次颗粒的速度比单一颗粒要慢，但仍有机会与其他颗粒发生碰撞，进而形成更大的团聚体，直至大到无法运动而沉降下来[21]。

2.3 范德华力和氢键的作用

悬浮在溶液中的nano-TCP 颗粒普遍受到范德华力的作用。范德华力与粒径成反比，纳米颗粒由于尺寸小，因而相互间具有较强的范德华力作用，当范德华引力远大于颗粒自身的重力时，纳米颗粒之间会通过表面分子或原子的范德华力相互吸引，形成团聚体。nano-TCP 颗粒是由刚性、实心、极细的球状颗粒组成，由于比表面积大，极易吸附空气或溶剂中的水分子，在表面形成一层富含羟基（—OH）的吸附水膜，邻近的—OH 之间会产生较强的氢键作用，而使颗粒产生团聚[22]。另外，带有吸附水的nano-TCP 颗粒之间会形成细颈状液桥，液桥的中央与两端有一定正压差，使颗粒相互黏附聚集[23]。

2.4 静电排斥稳定作用（DLVO 理论）

DLVO 理论认为，胶体中纳米颗粒的稳定性取决于颗粒间的范德华力引力势能VA与颗粒因表面双电层排斥而产生的静电斥力势能VR之间的平衡[24]。nano-TCP 颗粒表面带有电荷时，溶液中的一些带相反电荷的离子靠库仑力被紧密吸附在颗粒的表面而构成吸附层，从而形成双电层，产生了Zeta 电位。Zeta 电位越高，颗粒的双电层产生的静电斥力就越大，从而使颗粒更容易分散。对于nano-TCP 颗粒来说，当溶液的pH 值为6.7±0.1 时出现等电点[25]。而在等电点附近，Zeta 电位为0 mV，颗粒之间没有静电排斥力。当排斥力小于范德华引力时，颗粒之间以引力为主，将发生团聚。

3 nano-TCP 颗粒分散性的改进方法

在制备nano-TCP/可吸收高聚物复合材料时，由于nano-TCP 颗粒容易发生团聚，使得自身的纳米特性无法正常发挥，同时，还会影响复合材料的综合性能。因此，为了降低nano-TCP 颗粒的团聚尺度，提高其在可吸收高聚物基体中的分散性，采用有效的分散技术是十分必要的。除了常规的超声波分散[20]、机械外力（如剪切力）分散[26]外，对nano-TCP 颗粒表面进行改性的研究也有很多。

3.1 物理改性

物理改性是指通过范德华力、氢键等分子间作用力将无机或有机改性剂吸附在nano-TCP 颗粒表面，在表面形成包覆层，从而降低表面张力，减少纳米颗粒间的团聚，达到均匀稳定分散的目的。

表面活性剂分子中含有2 类性质截然不同的官能团：一类是极性基团，具有亲水性；另一类是非极性基团，具有亲油性[27]。表面活性剂的极性基团易于定向吸附在nano-TCP 颗粒表面，从而使得颗粒的表面性质发生显著变化，当与可吸收高聚物基体复合时，提高了纳米颗粒在基体中的分散性。Mirjalili 等[28]探究了表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)对-TCP/CNT 纳米复合材料形态的影响。通过SEM及TEM 观察发现SDBS/ -TCP/CNT 纳米复合材料呈规则形状的良好分散，说明SDBS 的添加有利于颗粒的分散性的提高。

另外，表面沉积法在改性纳米颗粒上也有运用，即通过溶液蒸发或静电作用在无机纳米颗粒的表面沉积一层与表面无化学结合的异质包覆层，从而改变颗粒原有的表面性质，提高无机纳米颗粒在可吸收高聚物基体中的分散性。但运用此种方法改性nano-HA 的报道较多，对nano-TCP 却鲜有报道[29]。

3.2 化学改性

化学改性是指在nano-TCP 颗粒表面与改性剂之间产生化学反应或化学吸附，从而改变纳米颗粒表面的结构和状态，达到均匀分散的目的。目前，常用的手段是使用偶联剂、有机酸或低分子量的聚合物来修饰nano-TCP 颗粒表面，通过提高颗粒表面的疏水性来改善其在可吸收高聚物基体中的分散性。

3.2.1 偶联剂改性

偶联剂是一种表面活性剂，是具有两性结构（极性基团和非极性基团）的物质，其中的一部分基团（亲水基团）可与nano-TCP 颗粒表面的某种官能团反应，形成强有力的化学键合，从而改变颗粒的表面性质，当与可吸收高聚物基体复合时，偶联剂的另一部分基团（疏水基团）的存在可提高nano-TCP 颗粒在高聚物基体中的分散性[30]。Bareiro 等[31]采用正硅酸乙酯（TEOS）作偶联剂对-TCP 纳米颗粒进行改性，并与聚二甲基硅氧烷树胶（PDMS）混合制备纳米复合材料。通过静态接触角、SEM 及TEM 测试发现，TEOS 改性-TCP 纳米颗粒后提高了颗粒表面的疏水性，使-TCP 纳米颗粒在PDMS 基体中的分散性得到明显提高。

3.2.2 表面酸处理

nano-TCP颗粒表面有大量的悬挂键，极易水解生成—OH。因此，其具有较强的亲水极性表面，易产生氢键、共价键、范德华力等来吸附周边颗粒，发生团聚[22]。利用有机酸（如硬脂酸、棕榈酸等）进行表面改性使得nano-TCP 颗粒变为亲有机疏无机的表面，有利于其在可吸收高聚物基体中均匀分散。Ma 等[14]采用硬脂酸对-TCP 纳米颗粒进行表面改性，并与PLLA 混合制得纳米复合材料。并发现硬脂酸以[CH3(CH2)14COO-]-Ca2+-[CH3(CH2)14COO-]共价键的方式附着在-TCP 颗粒表面，形成一层疏水的包覆膜，通过对-TCP/PLLA 纳米复合材料断面的SEM 图观察发现，未经表面改性处理的-TCP 在PLLA 基体中易团聚，形成多孔的大颗粒，经硬脂酸改性处理后的-TCP 在基体中分散均匀，断面上的-TCP 微粒被基体紧密包裹，提高了-TCP 在基体中的分散性。Li 等[32]采用棕榈酸对-TCP 纳米颗粒进行表面改性，得出与文献[14]相类似的结论。

3.2.3 表面接枝改性

表面接枝改性是通过化学反应将高分子聚合物链接枝到nano-TCP 颗粒的表面，从而改变纳米颗粒的表面性质，提高其在可吸收高聚物基体中的分散性。Zou 等[33]先将低分子量的PLLA（LMW PLLA，M=9000）在pH=11 的碱性溶液中水解1 h，以引入更多的羟基（—OH），然后将其接枝到-TCP 纳米颗粒表面（接枝反应见图1），并与高分子量的PLLA（M=30×104）进行混合制得纳米复合材料。通过FTIR、XRD 测试发现LMW PLLA 成功接枝在-TCP 纳米颗粒表面并且没有改变颗粒的晶体结构。通过静态接触角及SEM 测试发现，LMW PLLA 接枝到-TCP 纳米颗粒表面后提高了颗粒表面的疏水性，使-TCP 纳米颗粒在PLLA 基体中的分散性得到明显提高。

图1 -TCP 纳米颗粒接枝改性

目前，对nano-TCP 颗粒改性以期提高其在可吸收高聚物基体中分散性的研究相较于nano-HA 要少，主要原因是nano-TCP 颗粒表面可供修饰的活性位点（—OH）较少。因此，可对nano-TCP 颗粒进行高能处理，如用高能辐射、高能电晕放电、紫外线、等离子射线等方法来增加nano-TCP颗粒的表面活性位点，为进一步对nano-TCP 颗粒表面改性提供方便[34]。另外，也可以对可吸收高聚物进行修饰（如在分子链上接枝单体或基团），改变高聚物的状态，从而实现nano-TCP 颗粒在可吸收高聚物基体中的均匀分散[35]。

4 结论与展望

随着骨组织工程技术的发展，nano-TCP/可吸收高聚物复合材料被越来越多地运用到骨缺损的修复中并取得良好的临床效果。但因nano-TCP 颗粒团聚而引起修复材料力学性能不足、局部组织炎症等问题仍然没有得到很好的解决，使得nano-TCP/可吸收高聚物复合材料在骨缺损修复手术中的应用受到限制。为了提高nano-TCP/可吸收高聚物复合材料的应用性能，充分发挥nano-TCP 颗粒的纳米特性，进一步完善nano-TCP 颗粒的改性机理、改性方法及改性效果的表征是未来的研究重点。另外，改性可吸收高聚物以实现nano-TCP 颗粒的良好分散也具有重大的研究价值。